降低光伏组件最佳安装倾角对光伏发电系统发电量影响的研究

马庆虎，王 珣，白卫刚，张 勃，李 宪，李晓峰，马 丽

(国家电投集团青海光伏产业创新中心有限公司，西宁 810000)

0 引言

光伏发电系统是将太阳能转化为电能的系统，对光伏发电系统进行设计时，需要进行以下工作内容：首先根据市场主流技术分别进行光伏组件比选、逆变器比选、支架运行方式比选、光伏子方阵规模容量比选，从而得出主要设备的性能参数；再计算出组件的最佳安装倾角，方位角，串、并联数量，以及光伏阵列南北向相邻前、后排组件之间的间距；最后给出光伏阵列的布置方式等。当光伏发电系统的支架运行方式选择固定支架时，光伏组件的最佳安装倾角一般是根据光伏发电系统所在地的经、纬度，太阳辐射量，气象资料，冬至日的阴影遮挡时间等边界条件计算得出。但由于一些地区光伏发电项目的用地面积有限，按照正常的设计间距无法布置更多的光伏组件容量，因此，为了增加光伏发电项目的组件容量，提高光伏发电系统的发电量，本文研究了当光伏组件采用固定支架时，在保持项目总占地面积不变、交流并网功率无要求、满足项目投资内部收益率的情况下，通过降低光伏组件的最佳安装倾角来增加光伏阵列的直流容量的方式来提高光伏发电系统的发电量。

1 计算光伏组件的最佳安装倾角

本文以某光伏发电系统为计算实例进行分析。该光伏发电系统所在地的地理坐标为37°08′N、140°09′E，海拔高程为 540 m，该地的太阳辐射资料如表1所示。

表1 太阳辐射数据表Table 1 Solar radiation data

根据表1的数据，通过Retscreen软件可计算出光伏组件接收的年太阳辐射量最大时所对应的安装倾角，计算时，安装倾角建议从5°开始取值，直到出现最大辐射量值的安装倾角，然后在此值的基础上再选更大的几个角度进行复核，最终得出倾斜面辐射量最大时对应的安装倾角即为此光伏发电系统中光伏组件的最佳安装倾角。采用固定支架时，组件的不同安装倾角与倾斜面接收的日均太阳辐射量的关系如图1所示。

图1 采用固定支架时，组件的不同安装倾角与倾斜面接收的日均太阳辐射量之间的关系Fig. 1 Relationship between different installation angles and daily solar radiation received by inclined plane of PV module with fixed bracket

由图1可知，当采用固定支架时，光伏组件的安装倾角为32°时其倾斜面接收的日均太阳辐射量最大[1]，则该角度下光伏组件倾斜面接收的年太阳辐射量也最大。因此，该光伏发电系统中组件的最佳安装倾角为32°。

2 降低光伏组件最佳安装倾角的实验

实验计算以1 MW光伏阵列的占地面积、组件最佳安装倾角为32°作为基准。实验中组件的安装倾角范围为10°～32°，以1°为间隔，依次减小组件的安装倾角进行测试，当前、后排组件的阴影遮挡时间一致时，前排固定支架组件前沿到相邻后排固定支架组件前沿的距离(下文简称“前到前间距”)也相应减小，此时1 MW光伏阵列的占地面积也会不同。表2为组件安装倾角、前到前间距、光伏阵列占地面积与光伏发电系统首年发电量之间的关系情况。

对表2中的数据进行分析可知，当保持总占地面积不变时，降低组件的最佳安装倾角，虽然组件倾斜面接收的年太阳辐射量逐渐减少，但同样占地面积下实际可布置的光伏组件容量增大了，即光伏阵列的直流装机容量增加了，增加比例为1%～50%，光伏发电系统的首年发电量提高了约10%～40%。

表2 组件安装倾角、前到前间距、光伏阵列占地面积与光伏发电系统的首年发电量之间的关系Table 2 Relationship between installation angle, front to front spacing, PV array land area and first year power generation of PV power generation system

(续表)

由于年可利用小时数可以比发电量更直观、更清晰地反映光伏发电系统的发电量情况，所以一般采用年可利用小时数来描述光伏发电系统的年发电水平；而在经济测算时，则以逐年发电量来计算项目投资收益和内部收益率等动态经济指标。

利用公式(1)可将光伏发电系统的首年发电量换算成年可利用小时数，换算后的具体数据如表3所示。

从表3中可以看出，当组件的安装倾角为10°时，光伏发电系统的首年发电量最高，为19556万kWh；而当组件的安装倾角为32°这一最佳安装倾角时，光伏发电系统的年可利用小时数最高，为1369 h。

表3 光伏发电系统的首年发电量与年可利用小时数的关系Table 3 Relationship between first year power generation and annual utilization hours of PV power generation system

因此，在交流并网功率无要求、经济测算满足项目投资内部收益率的前提下，为提高光伏发电系统的年发电量，可适当降低组件的最佳安装倾角。

需要注意的是，组件安装倾角降低的程度需要根据项目的装机容量要求和发电量增加量进行技术经济性比对后确定；还需要综合考虑项目所在地的灰尘污染情况，以及光伏发电系统中光伏组件的清扫频率等因素。

3 结论

本文研究了在保持总占地面积不变、交流并网功率无要求、满足项目投资内部收益率的情况下，可以适当降低组件的最佳安装倾角，从而提高光伏发电系统的年发电量。研究结论表明，虽然组件的最佳安装倾角降低后，组件倾斜面接收的年太阳辐射量也随之减少，但在同样占地面积下，光伏阵列的直流装机容量会随之增加，从而使光伏发电系统的年发电量得到提高。